国家“水污染防治行动计划” (水十条) 明确提出了污泥稳定化无害化处理的要求, 污泥稳定化处理是降低污泥二次污染风险, 提升污泥处理品质的重要途径, 也是我国城镇污水处理厂污泥处理的短板。介绍了我国城镇污泥处理处置的现状以及国内外污泥稳定化的发展, 明确了污泥稳定化的目标和意义。通过对目前常用的污泥稳定化技术进行比较分析, 重点分析了污泥厌氧消化作为稳定化技术的优势, 阐明了生物稳定化技术与干化焚烧技术的互补关系, 提出了未来污泥稳定化与资源化的发展趋势。

　　 近年来, 随着我国城镇化发展水平的提升, 污水处理设施的日益完善, 污水处理量也逐年增长。根据住房和城乡建设部公布的数据, 截止到2016年9月底, 全国累计建成城镇污水处理厂3 976座, 污水处理能力达1.7亿m³/d。按照每处理1万m³生活污水产生污泥5~8t (以含水率80%计) 计算, 目前我国污泥年产量超过4 000万t, 以每年10%的增长速度, 预计2020~2025年间, 我国污泥年产量将突破6 000万t (以含水率80%计) 。我国全力进行水污染治理, 力度之大, 前所未有, 成效显著。但是, 由于我国长期以来“重水轻泥”, 污泥处理处置没有同步跟上, 污泥处理处置问题未能得到有效解决, 形势十分严峻, 见图1。

　　 常用的污泥处置方式有土地利用、干化焚烧、建材利用和填埋等。污泥的处置方式决定了处理过程的选择, 不论何种处置方式, 均要求首先实现对污泥的减量化和稳定化处理, 降低污泥运输、储运及处理过程的二次污染风险, 同时污泥经过减量化和稳定化处理后, 能够显著降低后续处理处置成本, 减轻环境压力。因此, 国家“水十条”明确指出污水处理设施产生的污泥应进行稳定化、无害化和资源化处理处置, 见图2。

　　 污水处理的目的主要是实现污染物降解和去除, 而污水处理过程30%~50%污染物转移至污泥中, 污泥富集了大量的污染物, 具有较高的二次污染风险, 所以污泥稳定化处理是污水处理过程污染物降解的延续。如果污泥稳定化处理不完善, 污水处理厂易腐有机污染物未能及时降解和转化, 污水处理污染物减排目标将大打折扣。目前, 虽然我国90%的污水处理厂实现了污泥脱水减量化处理, 但实现污泥生物稳定化处理的污水处理厂数量比例不足3%, 大部分污泥未进行稳定化处理直接进行填埋, 不到20%的污泥得到安全处理处置, 见图3。从污泥处理处置全链条角度分析, 由于污泥稳定化处理缺乏, 导致污泥后续处理易腐污染物释放, 使得后续处理处置过程的处理量及环境条件加大, 污泥稳定化处理成为我国现阶段污泥处理处置的短板, 制约了我国污泥处理处置的发展。

　　 污泥稳定化, 一方面是通过实现易降解、易腐有机质的进一步转化, 完善污水处理厂有机物去除与转化的功能;另一方面是为污泥后续处理处置, 特别是土地利用提供了有利条件。通常, 污泥稳定化的过程能同时实现污泥减量化、无害化与资源化。其中, 无害化处理为基本要求, 减量化处理为基础, 稳定化处理为核心, 资源化利用为终极目标。

　　 生污泥中含有大量有机物 (发达国家通常占污泥干重的60%~80%, 我国污泥有机质比例通常为40%~60%) , 如碳水化合物、脂肪和蛋白质等, 且水分、营养元素、微量元素充足, pH等条件温和, 酸碱度适宜, 具有滋生微生物的良好环境。因此, 生污泥的稳定性差, 污泥中滋生的微生物会利用污泥中的有机质、水分等条件自发地进行生化反应, 造成污泥腐化及恶臭, 并导致污泥脱水性能的恶化, 这种无序的生化反应使污泥的运输和处置过程难度加大, 对环境造成污染。

　　 因此, 污泥稳定化是通过可控的物理、生物或化学手段, 改变污泥易发生无序生化反应的状态, 以降低对环境的危害, 使得污泥在环境条件下不再发生对环境卫生产生负面影响的生化反应, 表观上表现为较长时间堆置后成分也不再发生明显的变化, 从而将污泥在处置过程中的二次污染风险降低到一定条件下可接受的程度, 实现其安全处置。德国DIN4045对于污泥稳定化的定义是指减少气味物质和有机物含量的处理, 与此同时改善脱水性能, 减少病原菌的污泥处理过程。

　　 因此, “污泥稳定化”的含义, 一是指达到上述目的所采用的技术手段, 即污泥实现稳定化的方法, 与污泥处理的其他手段如“减量化”等手段相对应;另一指的是污泥经过稳定化处理后所处的状态, 与“未稳定的生污泥”相对应。

　　 污泥稳定化的目标是减少污泥中易生物降解有机质的含量, 杀死病原菌, 同时降低含水率以减少污泥体积。通过人为、有序的生物、化学等“污泥稳定化技术”, 将污泥中的有机物逐渐转化为CH₄/CO₂/H₂O等无机化合物, 最终实现遏制微生物反应的发生或者对其进行有效的控制。也就是说, 使得生污泥在经过稳定化处理后能在后续处理处置过程中不再引发恶臭, 改善后续处置过程的卫生条件, 或者更适合农业、园艺或者林业生产等的利用。

　　 国外发达国家很早就意识到污水中污染物去除在处理工艺上分成二个部分, 一是污水处理部分, 通过好氧微生物去除可溶性或胶体物质, 另一是处理富集到污泥中的颗粒物质和由于生物合成产生的细胞物质, 就污水处理全过程而言, 污泥的处理处置是污水处理过程中必不可少的环节。通常大型污水处理厂是通过厌氧消化等稳定化技术进行能源和资源回收, 回收能源用于供给污水处理厂能耗, 小型污水处理厂采用好氧稳定方式。国外发达国家污泥在污水处理厂必须实现100%稳定化处理, 才能运出厂实现后续的安全处置。

　　 厌氧消化技术是国外最常用的污泥污泥稳定化和减量化方法, 约50%以上污泥处理采用厌氧消化进行稳定化处理, 实现污染物转化, 同时从污泥中回收能源。随着污泥高级厌氧消化技术的不断发展, 发达国家污泥稳定化强制要求主要得益于对污泥处理处置的目标明确, 以及污泥稳定化政策和标准体系完善。

　　 欧洲环境署 (EEA) 对污泥的稳定化提出了量化指标。污泥稳定指数可采用VS/TS和 (或) VS降解的百分比表示, VS/TS低于0.60, VS降解百分比超过40%, 一般表示污泥达到稳定。另外, 污泥比耗氧速率 (SOUR) 小于2 mgO₂/ (gVS·h) (18℃) , 指示污泥达到稳定。

　　 美国联邦法典EPA 40CFR PART 503中规定, 污泥中可挥发性固体降解率需大于38%。若经厌氧消化后的污泥中可挥发性固体含量未能达到至少降低38%的要求, 可通过实验室试验, 将少量此厌氧消化后的污泥在30~37℃的温度下再消化40天, 若经40天消化后污泥中可挥发性固体降解率不超过17%, 则达到了对病媒吸引减少的要求。若经好氧消化后的污泥中可挥发性固体含量未能达到至少降解38%的要求, 可通过实验室试验, 将少量此好氧消化后含固率不高于2%的污泥在20℃下再消化30天, 若经30天消化后污泥中可挥发性固体的降解率不超过15%, 则达到了对病媒吸引减少的要求。另外, 20℃时, 经好氧工艺处理, 污泥的比耗氧速率 (SOUR) 不应高于1.5mgO₂/ (gTS·h) 。

　　 与国外污泥处理处置发展水平相比, 我国污泥稳定化处理与发达国家差距较大, 以厌氧消化为例, 全国将近4 000座污泥处理厂, 共建设约60座厌氧消化工程, 但目前正常运行的不足20座。导致我国污泥稳定化应用受限的主要原因, 一方面是由于我国关于污泥稳定化等处理处置政策和法规不完善, 没有强制性标准要求;另一方面是我国污泥泥质的差异, 处理处置技术路线的不明确。

　　 近年来, 随着我国污泥处理处置行业的发展, 一批采用热水解预处理或与餐厨等有机质协同的高级厌氧消化项目在国内多个城市得到推广应用, 例如北京高碑店污水处理厂污泥高级厌氧消化工程、天津津南污水处理厂污泥厌氧消化工程、长沙黑糜峰污泥高级厌氧消化示范工程、镇江污泥与餐厨协同高级厌氧消化示范工程等, 污泥品质得到了提升, 污泥减量化明显, 已经取得了很好的示范作用。

　　 我国污泥稳定化方面的政策和标准也在逐渐完善, 国家部委已先后出台《城镇污水处理厂污泥处理处置及污染防治技术政策 (试行) 》、《城镇污水处理厂污泥处理处置技术指南》、《水污染防治行动计划》等一系列政策文件, 强调城镇污水处理厂污泥稳定化处理的要求。

　　 《城镇污水处理厂污染物排放标准》 (GB18918-2002) 规定 (见表1) , 城镇污水处理厂的污泥应进行稳定化处理, 稳定化处理后应达到表1的规定。

　　 《城镇污水处理厂污泥处理处置技术规范》 (征求意见稿) 参照美国EPA对于稳定化标准的规定, 也对污泥稳定化作了详细规定。明确了污泥稳定化处理包括厌氧消化、堆肥、好氧消化、热碱水解和石灰稳定5项工艺技术, 并规定了这5项工艺技术的稳定化控制指标, 见表2。

　　 污泥的物理化学稳定技术主要包括石灰稳定和热碱水解, 以及氯氧化、湿式氧化、热解和干化焚烧技术等。

　　 (1) 石灰稳定是向含水率80%~85%的污泥中投加生石灰, 从而发生放热反应, 使污泥温度增高, 由此导致一部分水分被蒸发, 降低污泥中的含水率, 同时提高污泥pH。温度和pH的升高可以起到很好的抑制与杀菌作用, 同时对污泥中的部分重金属离子起到钝化作用, 保证了污泥处置过程中的卫生安全性和无害性。石灰稳定具有投资成本低, 占地少等优点, 但石灰稳定没有降解污泥中易腐有机物, 只是抑制微生物的繁殖生长, 稳定化同时由于添加石灰污泥量增加, 仅能实现“短期稳定化”, 一旦环境发生变化, 污泥将重新回到“非稳定状态”。

　　 (2) 污泥的热碱水解是热处理和碱处理的联合, 通常加热温度一般为110~140℃, 投加氢氧化钠或石灰等碱性物质使污泥pH达到10以上。在此条件下, 污泥中细胞被破壁, 微生物被全部灭杀, 污泥的脱水性能达到改善。该法具有操作简单、处理时间短等优点。但该法和石灰稳定类似, 也仅能实现“短期稳定化”目的。

　　 (3) 氯氧化法是利用高剂量的氯气将污泥化学氧化。通常将氯气直接加入贮存在密封反应器内的污泥中经过短时间后脱水。氯氧化法可以有效灭杀细菌, 但对污泥中的有机物降解不彻底, 也是一种“短期稳定化”方法。

　　 (4) 湿式氧化法 (WO) 是将污泥在在一定的温度压力条件下实现有机物氧化, 生成水、CO₂及少量固体残渣。湿式氧化对含各种难降解、有毒有害有机物污泥的处理效果较好。WO技术可以同时实现降低污泥中有机质、灭杀细菌等目的, 但该方法投资大、运行费用较高, 目前没有大规模应用。

　　 (5) 污泥焚烧严格意义上说也是降解有机物实现污泥稳定化减量化的一种方法, 它可破坏污泥中全部的有机质, 杀死病原体, 并最大限度地减少污泥体积和质量。但是, 污泥有机质含量低, 污泥焚烧工艺投资及运行成本高, 烟气飞灰处理要求高, 推广应用受到限制。

　　 (6) 污泥热解/碳化/气化技术是利用污泥中有机物的热不稳定性, 在无氧条件下对其加热, 使有机物产生热裂解, 形成利用价值较高的气相产物和固体残渣。是实现污泥稳定化、资源化的一种途径。热解技术目前在国内已有小规模应用, 但是和焚烧技术类似大规模应用存在成本效益的问题。

　　 污泥的生物稳定技术主要包括厌氧消化、好氧消化、延时曝气和好氧发酵 (也称好氧堆肥) 技术, 见表3。

　　 (1) 厌氧消化是在无氧条件下, 污泥中的有机物由厌氧微生物进行降解和稳定的过程。在密闭消化池内的缺氧条件下, 一部分菌体逐渐转化为厌氧菌或兼性菌, 降解易腐有机污染物, 实现污泥稳定化和减量化。通过厌氧消化, 可使污泥中部分有机物质转化为甲烷, 回收能源, 同时可消灭恶臭及各种病原菌和寄生虫, 使污泥达到安全稳定的程度。

　　 (2) 污泥好氧消化是微生物通过其细胞原生质的内源或自身氧化的一种方法。在此过程中, 细胞物质中可生物降解的组分被渐渐氧化为二氧化碳、水和氨, 然后氨可进一步氧化为硝酸盐。由于内源呼吸状态下, 细胞物质合成的量远远低于矿化分解的量, 从而达到污泥减量与稳定的效果。该技术分为延时曝气和浓缩污泥高温好氧消化。好氧延时曝气工艺简单, 但降解程度低, 污泥减量少, 温度波动对降解程度影响较大, 较污泥厌氧消化病原菌去除效果差;浓缩污泥高温好氧消化由于需要氧气的投加运行费用高。

　　 (3) 污泥好氧发酵 (好氧堆肥) 是指在一定的水分、C/N和通风条件下, 通过微生物的好氧发酵作用, 将污泥中的有机物转变成腐殖质样残渣 (肥料) 的过程。在堆肥过程中, 有机物由不稳定状态转化为稳定的腐殖化残渣, 对环境尤其是土壤环境不再构成危害。由于好氧堆肥温度一般在50~60℃, 极限可达80~90℃或更高, 故也称高温堆肥。污泥堆肥产生的高温能杀死其中大部分寄生虫和病原菌等;经堆肥分解的有机质变为更利于植物吸收的速效养分, 堆肥产物可用于农肥或改良土壤。

　　 目前, 应用比较成熟的污泥稳定化技术主要包括厌氧消化和好氧发酵生物稳定化技术, 以及干化焚烧等物理化学稳定化技术。其中, 厌氧消化作为污泥稳定化处理技术的优势主要体现在: (1) 污泥通过厌氧消化可以实现稳定化和沼气能源回收; (2) 污泥经过厌氧消化生物稳定化和减量化, 同时提升脱水性能, 有助于降低后续干化和焚烧处理投资和运行成本。针对我国传统厌氧消化效率低的瓶颈问题, 国内外也相继开发了多项高级厌氧消化技术, 包括高温热水解技术、污泥和餐厨等城市有机质协同厌氧消化技术等, 厌氧消化技术的效率得到了大幅提升, 消化污泥的品质及卫生条件也得到了明显的提高, 因此, 厌氧消化技术是污泥处理处置全过程中的重要的稳定化减量化资源化处理环节, 也是我国污泥处理处置的短板。

　　 国内一直对于污泥厌氧消化和干化焚烧两种稳定化减量化技术的关系认识模糊, 认为两者只能选择其一, “如采用焚烧处理不必要进行厌氧消化处理”。研究表明, 与生污泥直接进行焚烧相比, 污泥进行高级厌氧消化具有: (1) 可以大幅度降低污泥量 (减量30%~50%) , 相应干化焚烧系统的建造规模也减少30%~50%; (2) 污泥厌氧消化污泥在同等条件下较生物泥脱水能力提升5%~10%, 虽然厌氧消化过程减少了干基热值, 但是脱水效率的提升比消化对热值影响更大, 污泥厌氧消化和生污泥直接焚烧整体热效率及能源的综合回收量可以提升20%~40%; (3) 厌氧消化已实现污泥稳定化, 消化污泥可以实现多途径资源化处置利用, 对后续处理的量和要求方面可以灵活考虑。污泥通过高级厌氧消化应尽可能实现土地利用, 如不具备条件, 通过减量化稳定化处理再进行热化学处理可以减少焚烧量, 由于同等条件脱水效率的提升, 综合能量平衡及热效率也具有优势。该技术路线在英国曼彻斯特污泥处理处置工程得到应用和证明。从全过程能量平衡和减少碳排放的角度, 与生污泥直接进行脱水干化焚烧相比, 污泥经过厌氧稳定化后再进行干化焚烧具有明显的优势。类似的案例在英国、德国、日本等污水处理厂均得到了验证。

　　 在全球应对气候变化, 实现碳减排以及资源回收的大背景下, 考虑到城市污泥“污染”和“资源”的双重属性, 污泥稳定化技术的发展应以稳定化为目标, 以资源化为手段, 以“绿色、循环、低碳”为基本原则, 结合泥质特点强化技术创新, 解决安全处置的同时实现资源的最大化回收。和污水处理技术相比, 污泥处理方面的研究严重滞后, 但近年来在污泥厌氧消化研究领域发展迅速, 通过分子生物学、材料科学、新型研究检测方法等学科交叉, 出现了一批高效厌氧稳定的新技术原理和方法。

　　 (1) 污泥稳定化处理是目前我国污泥处理处置全链条环节的短板, 从各种工艺的全生命周期评估及未来低碳绿色的发展要求, 应大力推广污泥厌氧生物稳定化技术, 实现污泥稳定化和减量化、能源化回收利用。通过污泥高级厌氧消化技术的开发应用, 弥补传统厌氧消化负荷低、转化效率低、反应时间长、对寄生虫卵及致病菌等灭活率低的不足, 提升了污泥厌氧稳定化和沼气回收效率, 实现了污泥真正意义上生物减量, 可以缓解污泥后续处理处置的环境和经济压力。

　　 (2) 污泥土地利用也是我国污泥处置环节的短板。基于我国国情、污泥的来源属性及国外发展的经验和趋势, 我国稳定化污泥土地利用是一种能使污泥实现资源循环利用的有效处置方式。目前急需加强对稳定化污泥土地利用的物质迁移转化规律及环境风险评估方面的量化研究, 已有工程项目的评估, 遵循污泥处置决定处理的原则, 提出基于污泥土地利用的污泥处理技术要求和指标, 完善污泥土地利用的相关标准, 建立适合我国国情的污泥土地利用的市场化运行模式、完善的质量控制和监管体系。